胡媛媛,武云鵬,丁 玲,宋泉良
(北方自動控制技術研究所,太原 030006)
在信息化武器裝備發(fā)展趨勢下,裝備的試驗過程已經(jīng)不再局限于單一功能性能的測試驗證,還需要從系統(tǒng)整體出發(fā),全面、系統(tǒng)、科學地評價信息化武器裝備的整體效能。地面無人裝備是一種典型的集自主感知、路徑規(guī)劃、無線通信、有人無人協(xié)同等于一體的適用于高度信息化地面武器裝備。涉及到傳感器技術、信息融合技術、計算機技術、通訊技術、人工智能技術,以及自動控制技術等多學科多領域的高度信息化集合體。對地面無人裝備的試驗不僅需要在單一靶場單一環(huán)境下進行功能性能指標的檢驗,更需要考量在逼真于裝備應用環(huán)境下的水文、氣象、電磁等復雜環(huán)境下對無人裝備的系統(tǒng)效能,同時也要著眼于驗證無人裝備在集群作戰(zhàn),有人無人戰(zhàn)斗等聯(lián)合作戰(zhàn)編組中的體系作戰(zhàn)能力,對地面無人裝備的互操作性、可靠性、適用性、保障性等進行綜合試驗研究。
目前,美國國防部已就無人裝備能力概念及其相關評價標準等概念圍繞(department of defense architecture framework,DoDAF,美國國防部體系結構框架)的不斷改進,形成了較完整且統(tǒng)一的基礎理論,由于我國目前仍處于地面無人裝備發(fā)展的初級階段,還沒有就裝備能力特別是環(huán)境感知相關能力的綜合評價方法展開深入研究,本文以美國國防部DoDAF V2.0 多視角框架為基礎,借鑒當前有人裝備能力評價方法,提出專屬于地面無人裝備的環(huán)境感知能力評價方法。
地面無人裝備由于加入了“智能”、“自主”、“遠程操作”的特征,要求裝備具備自適應各種復雜戰(zhàn)場環(huán)境并進行偵查監(jiān)視的能力。為了有效地完成無人作戰(zhàn)任務,提高無人裝備自身的生存能力,地面無人裝備必須具備全方位的感知能力,構建戰(zhàn)場機動地圖,方能正確地完成避障自主探索、路徑規(guī)劃等決策,增強態(tài)勢感知能力,有效減輕士兵認知負擔和工作負荷。因此,本文將重點研究地面無人裝備中環(huán)境感知能力的綜合評價方法。
以作戰(zhàn)應用為牽引,提煉地面無人裝備環(huán)境感知相關能力需求,從單體裝備性能出發(fā),考慮無人裝備在作戰(zhàn)編組內(nèi)的角色需求,結合與有人裝備之間的相互配合、相互協(xié)調(diào)、相互補充的關系,將地面無人環(huán)境感知相關能力需求與具體的裝備系統(tǒng)/單體功能、性能聯(lián)系起來,建立合理的環(huán)境感知能力試驗模型。
提煉地面無人裝備執(zhí)行作戰(zhàn)任務過程中必須滿足的環(huán)境感知方面的條件和能力,完成從作戰(zhàn)任務到武器裝備性能功能指標的映射。借鑒美國國防部DoDAF V2.0 多視角研究方法,通過分析作戰(zhàn)任務使命及其實現(xiàn)過程,分別從作戰(zhàn)視角、能力視角、系統(tǒng)視角分析地面無人裝備的環(huán)境感知相關能力需求。
圖1 基于DoDAF 的需求分析方法
作戰(zhàn)視角是根據(jù)無人裝備在執(zhí)行作戰(zhàn)任務的過程中,分析其可能接收到的作戰(zhàn)使命或任務,結合其在作戰(zhàn)編組中的角色,作戰(zhàn)目標、以及作戰(zhàn)規(guī)模等因素,細化其為了完成整體作戰(zhàn)要求而需要執(zhí)行的作戰(zhàn)活動。以美軍地面無人裝備為例,根據(jù)重量將地面無人系統(tǒng)分為微型、小型、中型和大型地面無人系統(tǒng),不同體量的無人裝備使用的場合、在聯(lián)合編組中承擔的角色、需要完成的任務自然會有很大的區(qū)別,因此,需要從裝備特色出發(fā),從編組任務出發(fā)進行作戰(zhàn)視角的需求分析。
能力視角是將無人裝備執(zhí)行作戰(zhàn)活動過程中需要單體具備的能力進行抽象。能力視角下分析的內(nèi)容主要包括完成任務所需的能力結構、支持資源及能力之間的相互作用等內(nèi)容。當前我國無人裝備的近期目標是利用無人車的耐久力實現(xiàn)長時間工作,在復雜地形或士兵偵察作戰(zhàn)能力受限的情況下,進行持續(xù)偵察監(jiān)視,進入人無法進入的地方,提高生存力,預留反應時間,利用人工智能減輕士兵的認知負擔。
系統(tǒng)視角從裝備內(nèi)部出發(fā),把作戰(zhàn)需求和能力需求落實到實體裝備上,從硬件設備、軟件功能、系統(tǒng)運行各個方面,分析尋找各種可能影響裝備整體效能的內(nèi)部影響因素。目前無人裝備環(huán)境感知能力相關的內(nèi)部因素主要包括不同感知類型的傳感器設備,車體姿態(tài)感知設備及其相應的感知融合算法等。
基于DoDAF 多視圖方法,圖2 內(nèi)容展現(xiàn)了地面無人裝備環(huán)境感知能力的提取過程:1)從任務視角出發(fā),明確作戰(zhàn)任務,利用作戰(zhàn)任務分解作戰(zhàn)活動過程,提煉與環(huán)境感知能力相關的作戰(zhàn)任務。在當前地面無人裝備的研究背景下,作戰(zhàn)任務主要包括偵察監(jiān)視任務、通信中繼任務、毀傷評估任務;2)能力視角關聯(lián),建立作戰(zhàn)任務/作戰(zhàn)活動與能力之間的映射關系,形成初步的環(huán)境感知能力需求要素;3)系統(tǒng)視角細化,需要結合當前地面無人裝備的裝備特色及系統(tǒng)組成,進一步將能力擴展和細化,形成完整的環(huán)境感知能力評價層次關系圖。這樣梳理的環(huán)境感知能力需求,具有自上而下的邏輯關系和層次關系,將抽象的軍事需求,轉化為詳細裝備作戰(zhàn)能力,映射到具體的裝備試驗指標中。地面無人裝備環(huán)境感知能力細化結果如圖3 所示。
圖2 環(huán)境感知能力需求獲取
圖3 地面無人裝備環(huán)境感知能力細化
在當前地面無人裝備激烈的競爭形勢下,為了快速了解不同參研方在同類無人裝備競爭中環(huán)境感知能力方面的實際水平,急需一種綜合性的試驗考核方法。通過對環(huán)境感知能力的需求獲取表明,各項環(huán)境感知能力的評價指標類型復雜(包含數(shù)值型、布爾型、語言描述型等),且指標的不確定程度也不盡相同。本文提出基于RIMER 方法(Rulebased Inference Methodology using the Evidential Reasoning,基于證據(jù)推理算法的信度規(guī)則庫推理方法)的環(huán)境感知能力綜合評價方法,能夠在具體試驗數(shù)據(jù)的基礎上,結合有說服力且合理的主觀評價,更加全面地評價裝備環(huán)境感知性能。
RIMER 方法由曼徹斯特大學楊建波教授提出,該方法在D-S 證據(jù)理論的基礎上,綜合多屬性決策理論、模糊理論和If-then 專家系統(tǒng)等理論的優(yōu)點,具備對模糊數(shù)據(jù)、主觀數(shù)據(jù)、概率型數(shù)據(jù)及無知信息等進行建模和分析的能力。尤其在處理不確定性數(shù)據(jù)上有較大的優(yōu)勢。
RIMER 評估方法通過構建信度規(guī)則庫、輸入數(shù)據(jù)規(guī)則激活度計算、證據(jù)推理規(guī)則合成3 個步驟實現(xiàn)。
2.2.1 層次化信度規(guī)則庫構建
RIMER 方法的核心是構造能力對應的信度規(guī)則庫,建立裝備從設備級的技術戰(zhàn)術指標到整體作戰(zhàn)能力的信度規(guī)則約束,將系統(tǒng)視角下的指標性能-單項能力的映射評價-頂層綜合能力聯(lián)系起來,并將裝備試驗過程涉及到的專家知識、歷史經(jīng)驗和試驗數(shù)據(jù)關聯(lián)起來。
層次化的能力需求應對應層次化的評價過程,本文為地面無人裝備環(huán)境感知能力評價建立基于RIMER 方法遞進式的信度規(guī)則庫,如圖4 所示。
圖4 遞進式能力信度規(guī)則庫
由此獲得地面無人裝備環(huán)境感知信度規(guī)則庫層次對應表,如下頁表1 所示。
表1 環(huán)境感知能力信度規(guī)則遞進關系
2.2.2 信度規(guī)則庫結構說明
能力評估信度規(guī)則庫可以表示為=<,,,>。其中,={,,…,C}表示各項能力的集合,={,,…,A}表示規(guī)則庫與各項能力對應的取值集合,其中,A={A,A,…,A}表示能力A對應的能力指標的集合。={,,…,R}是所有評價結果的結合,表示前提條件和評價結果的映射函數(shù)。
信度規(guī)則庫中每一條信度規(guī)則描述如下:
RIMER 系統(tǒng)本質(zhì)上也是一個產(chǎn)生式的專家系統(tǒng),在每條規(guī)則中需要通過專家經(jīng)驗等確定每一個前提條件的相對權重為δ,以及每一條規(guī)則在規(guī)則信度庫中的相對權重θ。
對應到環(huán)境感知能力中,以對地偵察能力為例,該能力由<對地偵察距離性能1>,<對地偵察精度性能2>,<對地偵察可持續(xù)時間3>,<對地偵察覆蓋率4>共同決定,其中一條信度規(guī)則可表達為:If<對地偵察距離>5 km>Λ<對地偵察精度<10 m>Λ<對地偵察可持續(xù)時間>24 h>Λ<對地偵察覆蓋率>95%>
Then{(級優(yōu),1),(優(yōu),0),(中,0),(弱,0)}
2.3.1 輸入能力規(guī)則匹配度計算
在實際試驗過程中,能力評估的輸入應為裝備通過試驗、調(diào)研、專家打分等過程獲得的裝備性能指標及各項能力評價結果。需要將這些數(shù)據(jù)通過規(guī)則匹配度計算獲得該輸入對當前信度規(guī)則庫中相關規(guī)則的匹配程度。
將輸入數(shù)據(jù)表示為{(,),(,),(x,ε)},其中,x表示能力或能力指標的輸入值,ε表示該輸入的不確定性。其規(guī)則匹配度(x,ε)計算如下:
對于某項輸入(x,ε),α表示與之相關的信度規(guī)則前提條件的第個取值A的綜合匹配度。(x,A)為匹配函數(shù),其計算方式規(guī)則前提中指標類型的不同而不同,針對環(huán)境感知能力評價過程中各項能力指標及子能力的規(guī)則前提假設分析,主要涉及到離散序列和定性分析兩種類型,分別對其計算方法說明如下:
1)規(guī)則前提條件為離散序列
信度規(guī)則庫中能力c的取值A為{A,A,…,A},且序列單調(diào)遞增,匹配函數(shù)為:
例如:對地偵察能力中對空偵察距離1 取值范圍為{1 000,3 000,5 000},(單位:m)。實際輸入值為(4 000,1),則匹配值(4 000,1 000)=0,(4 000,3 000)=0.5,(4 000,5 000=0.5)。
2)規(guī)則前提為定性等級數(shù)據(jù)
若規(guī)則評價等級=輸入能力評價等級,則可直接進行一一映射。如果≠,則依照專家經(jīng)驗將輸入能力等級H’以信度λ等級等價于H,0≤λ≤1。
例如:場景語義理解能力中對山地環(huán)境語義理解能力取值包括{強,中,弱},輸入數(shù)據(jù)為:((好,0.2),(中,0.8),(差,0),(無,0)),設置專家信度為[0.1,0.9,0,0],則通過計算其規(guī)則匹配度為((強,0.1),(中,0.9),(弱,0))。
2.3.2 輸入能力信度規(guī)則綜合匹配度計算
轉換后的數(shù)據(jù)對第條規(guī)則歸一化后的激活程度的算式為:
其中,θ為第條規(guī)則的相對權重,α為輸入匹配第條規(guī)則的綜合匹配度。
2.3.3 激活規(guī)則合成
在完成輸入能力對單一規(guī)則的激活度計算后,需要將所有由輸入能力激活的規(guī)則進行合成,由該層級的規(guī)則前提綜合獲得下一層級的能力評價結果。這一過程通過證據(jù)推理方法實現(xiàn)。
由上述過程即可實現(xiàn)完整的能力評價過程。
本文研究的環(huán)境感知能力評價方法,從作戰(zhàn)需求出發(fā),將地面無人系統(tǒng)環(huán)境感知能力進行細化和分解,并映射到具體的裝備性能上,然后將試驗驗證結果、專家經(jīng)驗和評價準則納入統(tǒng)一的能力評價體系,能夠在全面評估的同時,將不確定性數(shù)據(jù)帶來的推理結論的不確定度進行綜合考量,是一種全面、合理、有效的能力綜合評價方法,能夠推廣到其他的能力評級或系統(tǒng)整體效能評估過程。